JP4069418B2 - Magnetic field sensor and current sensor - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マグネトインピーダンス（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｉｎｐｅｄａｎｃｅ：磁気インピーダンス（ＭＩ））効果を利用し、温度センサとしても使用可能な磁界および電流センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
アモルファスワイヤをＭＩ効果素子として用いる電流センサは、例えばＫａｓｈｉｗａｇｉ外２“３００Ａ ＣＵＲＲＥＮＴ ＳＥＮＳＯＲ ＵＳＩＮＧ ＡＭＯＲＰＨＯＵＳ ＷＩＲＥ ＣＯＲＥ”「ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＯＮ ＭＡＧＮＥＴＩＣＳ」ＶＯＬ２６，ＮＯ．５，ＳＥＰＴＥＭＢＥＲ １９９０，ｐ１５６６−１５６８に発表されているが、この論文に示されるような原理を利用する電流（磁界）センサは、例えば特許文献１により公知である。
【０００３】
図２はこのような電流（磁界）センサの例を示す回路図である。
同図において、ＲＦＤは高周波駆動回路、ＭＩはマグネトインピーダンス素子、Ｄ１，Ｄ２は検波回路、ＥＡＭＰは誤差アンプ、ＣＩＤ２は定電流駆動回路である。素子ＭＩにはバイアスコイルＢＣとフィードバックコイルＦＢＣが巻かれ、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３とともにブリッジ回路を構成している。そのバイアスコイルＢＣは定電流駆動回路ＣＩＤ１により定電流駆動され、これにより素子ＭＩにはバイアス磁界が発生する。
【０００４】
高周波駆動回路ＲＦＤにて駆動される素子ＭＩに、測定電流Ｉに比例する磁界が与えられると、素子ＭＩにはこの磁界をキャンセルするようなフィードバック回路が作用する。すなわち、回路ＲＦＤにより抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３および素子ＭＩからなるブリッジ回路が高周波駆動されると、ブリッジ回路の出力はコンデンサＣ１、充電抵抗Ｒ４、検波ダイオードＤ１０，Ｄ１１、抵抗Ｒ６およびコンデンサＣ３からなる検波回路Ｄ１と、同じくコンデンサＣ２、充電抵抗Ｒ５、検波ダイオードＤ２０，Ｄ２１、抵抗Ｒ７およびコンデンサＣ４からなる検波回路Ｄ２との差信号として誤差アンプＥＡＭＰに入力され増幅される。この誤差アンプＥＡＭＰからの出力電圧は定電流駆動回路ＣＩＤ２により電流に変換され、この電流をフィードバックコイルＦＢＣに流すことで、測定電流Ｉにより素子ＭＩに発生する磁界がキャンセルされる。また、誤差アンプＥＡＭＰの出力からは、測定電流Ｉに比例した電圧が測定出力ＩＭとして得られる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−３１８２５０号公報（第５頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、温度センサは、種々のセンサの中でも使用頻度の多いセンサで、例えばトランス，配電盤などの電力機器は大電流による発熱量も多いことから、温度の計測を求められることが多い。その際、温度センサは電流センサとは別に電力機器に設置するのが一般的である。つまり、電流センサと温度センサとは全く別物で、センサのためのコストが高くなると言う問題がある。
したがって、この発明の課題は、センサに要するコストを低減することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、測定すべき磁界を受けその電気的インピーダンスが変化する磁気インピーダンス素子と、この素子にバイアス磁界を与えるコイルと、前記素子を高周波電流で駆動する駆動手段と、前記素子のインピーダンスを検出する検出手段と、その検出したインピーダンスを基準値に一致させるような電流をフィードバック用コイルに流す電流印加手段と、このフィードバック電流信号、またはこれを電圧信号に変換した電圧信号を磁界計測信号とする磁界センサにおいて、
前記フィードバック用コイルに対し前記検出したインピーダンスを基準値に一致させるような電圧を印加する電圧印加手段と、この電圧印加手段と前記電流印加手段のいずれか一方を選択する選択手段とを設け、この選択手段により前記電流印加手段を選択したときは、前記フィードバック用コイルに対し電流信号をフィードバックして磁界の計測を行ない、前記選択手段により前記電圧印加手段を選択したときは、前記フィードバック用コイルに対し電圧信号をフィードバックして温度の計測を行なうことを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２の発明では、測定すべき電流の発生磁界を受けその電気的インピーダンスが変化する磁気インピーダンス素子と、この素子にバイアス磁界を与えるコイルと、前記素子を高周波電流で駆動する駆動手段と、前記素子のインピーダンスを検出する検出手段と、その検出したインピーダンスを基準値に一致させるような電流をフィードバック用コイルに流す電流印加手段と、このフィードバック電流信号、またはこれを電圧信号に変換した電圧信号を電流計測信号とする電流センサにおいて、
前記フィードバック用コイルに対し前記検出したインピーダンスを基準値に一致させるような電圧を印加する電圧印加手段と、この電圧印加手段と前記電流印加手段のいずれか一方を選択する選択手段とを設け、この選択手段により前記電流印加手段を選択したときは、前記フィードバック用コイルに対し電流信号をフィードバックして電流の計測を行ない、前記選択手段により前記電圧印加手段を選択したときは、前記フィードバック用コイルに対し電圧信号をフィードバックして温度の計測を行なうことを特徴とする。
【０００９】
図２の回路では、ＭＩ素子からの測定出力信号は温度特性を示さないが、フィードバックに電圧信号を用いると、フィードバックコイルの抵抗値の温度特性により、測定出力信号は温度特性を示すことになる。つまり、温度による抵抗値の変化は電圧信号の変化として捉えられるものと考え、電圧信号をフィードバックするものであり、この発明は、このような原理を利用するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の実施の形態を示す構成図である。
これは、図２の従来例に対し定電圧駆動回路ＣＶＤ、センサ切り替えスイッチＳＷおよびマイコンμＣＯＭを付加して構成される。スイッチＳＷはフィードバック系統を、定電流駆動回路ＣＩＤ２を介する電流フィードバック系とするか、または定電圧駆動回路ＣＶＤを介する電圧フィードバック系とするかの切り替えを行ない、マイコンμＣＯＭによって制御される。
【００１１】
したがって、スイッチＳＷが図示の位置にあれば、回路的には図２と同じとなり電流センサとして作用する。これに対し、スイッチＳＷを図示とは反対の位置に切り替えると、フィードバック系統が電流フィードバック系から、定電圧駆動回路ＣＶＤによる電圧フィードバック系に切り替えられる。つまり、フィードバック系統が定電流駆動回路ＣＩＤ２の場合は、フィードバックコイルＦＢＣの温度が変わってそのインピーダンスが変化しても、何の変化も起こらず測定出力ＩＭは温度によっては変化しないことになる。
【００１２】
しかし、フィードバック系統が定電圧駆動回路ＣＶＤであると、フィードバックコイルＦＢＣの温度が例えば上昇すると、そのインピーダンスはコイル抵抗の温度依存性により大きくなる。ただし、フィードバックは定電圧回路であるため、ＭＩ素子にフィードバックされる磁界は減少する。すなわち、ＭＩ素子の総磁界は減少し、これにより測定出力ＩＭはフィードバックコイルＦＢＣの温度に比例するものとなる。
【００１３】
したがって、スイッチＳＷを図示の位置にして、電流フィードバック系を形成することで電流計測が可能となり、スイッチＳＷを図示とは反対の位置に切り替えて、電圧フィードバック系を形成することで温度計測が可能となる。
以上では、電流により発生する磁界を測定することで、間接的に電流を測定するようにしているが、直接的に磁界を測定できるのは勿論であり、したがって、温度の測定が可能な磁界センサも同様にして実現することができる。
【００１４】
【発明の効果】
この発明によれば、スイッチの切り替えにより電流センサになったり、温度センサになったりするので、２種類のセンサを用意する必要がなくなり、センサに要するコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態を示す構成図
【図２】従来例を示す構成図
【符号の説明】
ＲＦＤ…高周波駆動回路、ＭＩ…マグネトインピーダンス素子（ＭＩ素子）、Ｄ１，Ｄ２…検波回路、ＥＡＭＰ…誤差アンプ、ＣＩＤ１，ＣＩＤ２…定電流駆動回路、ＦＢＣ…フィードバックコイル、ＢＣ…バイアスコイル、Ｒ１〜Ｒ７…抵抗、Ｃ１〜Ｃ４…コンデンサ、Ｄ１０，Ｄ１１，Ｄ２０，Ｄ２１…ダイオード、ＣＶＤ…定電圧駆動回路、μＣＯＭ…マイコン、ＳＷ…センサ切り替えスイッチ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic field and current sensor that uses a magneto-impedance (Magneto-Impedance) effect and can also be used as a temperature sensor.
[0002]
[Prior art]
A current sensor using an amorphous wire as an MI effect element is disclosed in, for example, Kashiwagi et al. 2 “300A CURRENT SENSOR USING AMORPHOUS WIRE CORE” “IEEE TRANSACTION MAGNETICS” VOL26, NO. 5, SEPTEMBER 1990, p1566-1568, a current (magnetic field) sensor using the principle as shown in this paper is known from, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-151405.
[0003]
FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of such a current (magnetic field) sensor.
In the figure, RFD is a high frequency drive circuit, MI is a magneto-impedance element, D1 and D2 are detection circuits, EAMP is an error amplifier, and CID2 is a constant current drive circuit. A bias coil BC and a feedback coil FBC are wound around the element MI, and constitute a bridge circuit together with the resistors R1, R2, and R3. The bias coil BC is driven with a constant current by a constant current drive circuit CID1, thereby generating a bias magnetic field in the element MI.
[0004]
When a magnetic field proportional to the measurement current I is applied to the element MI driven by the high-frequency driving circuit RFD, a feedback circuit that cancels this magnetic field acts on the element MI. That is, when the bridge circuit including the resistors R1, R2, and R3 and the element MI is driven at high frequency by the circuit RFD, the output of the bridge circuit includes the capacitor C1, the charging resistor R4, the detection diodes D10 and D11, the resistor R6, and the capacitor C3. The difference signal between the detection circuit D1 and the detection circuit D2 including the capacitor C2, the charging resistor R5, the detection diodes D20 and D21, the resistor R7, and the capacitor C4 is input to the error amplifier EAMP and amplified. The output voltage from the error amplifier EAMP is converted into a current by the constant current drive circuit CID2, and this current is passed through the feedback coil FBC, whereby the magnetic field generated in the element MI is canceled by the measurement current I. Further, a voltage proportional to the measurement current I is obtained as a measurement output IM from the output of the error amplifier EAMP.
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2002-318250 A (5th page, FIG. 1)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, a temperature sensor is a sensor that is frequently used among various sensors. For example, power devices such as transformers and switchboards have a large amount of heat generated by a large current, and therefore, temperature measurement is often required. In this case, the temperature sensor is generally installed in the power device separately from the current sensor. That is, the current sensor and the temperature sensor are completely different, and there is a problem that the cost for the sensor increases.
Accordingly, an object of the present invention is to reduce the cost required for the sensor.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve such a problem, in the invention of claim 1, a magnetic impedance element whose electrical impedance changes upon receiving a magnetic field to be measured, a coil for applying a bias magnetic field to the element, and the element at a high frequency current. A driving means for driving; a detecting means for detecting the impedance of the element; a current applying means for causing a current that causes the detected impedance to coincide with a reference value; and a feedback current signal or a voltage applied to the feedback coil. In a magnetic field sensor using a voltage signal converted into a signal as a magnetic field measurement signal,
A voltage applying unit that applies a voltage that matches the detected impedance to a reference value to the feedback coil; and a selecting unit that selects one of the voltage applying unit and the current applying unit. When the current application means is selected by the selection means, a current signal is fed back to the feedback coil to measure the magnetic field, and when the voltage application means is selected by the selection means, the feedback coil On the other hand, a temperature signal is measured by feeding back a voltage signal.
[0008]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a magneto-impedance element whose electrical impedance changes upon receiving a magnetic field generated by a current to be measured, a coil for applying a bias magnetic field to the element, and a driving means for driving the element with a high-frequency current. Detecting means for detecting the impedance of the element; current applying means for passing a current that causes the detected impedance to match a reference value to the feedback coil; and the feedback current signal or the voltage signal. In a current sensor that uses a voltage signal as a current measurement signal,
A voltage applying unit that applies a voltage that matches the detected impedance to a reference value to the feedback coil; and a selecting unit that selects one of the voltage applying unit and the current applying unit. When the current application means is selected by the selection means, a current signal is fed back to the feedback coil to measure current, and when the voltage application means is selected by the selection means, the feedback coil On the other hand, a temperature signal is measured by feeding back a voltage signal.
[0009]
In the circuit of FIG. 2, the measurement output signal from the MI element does not show temperature characteristics, but when a voltage signal is used for feedback, the measurement output signal shows temperature characteristics due to the temperature characteristics of the resistance value of the feedback coil. . That is, the change in resistance value due to temperature is considered as a change in voltage signal, and the voltage signal is fed back, and the present invention utilizes such a principle.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention.
This is configured by adding a constant voltage drive circuit CVD, a sensor changeover switch SW and a microcomputer μCOM to the conventional example of FIG. The switch SW switches the feedback system between a current feedback system via the constant current drive circuit CID2 or a voltage feedback system via the constant voltage drive circuit CVD, and is controlled by the microcomputer μCOM.
[0011]
Therefore, if the switch SW is in the position shown in the figure, the circuit is the same as that in FIG. On the other hand, when the switch SW is switched to a position opposite to that shown in the figure, the feedback system is switched from the current feedback system to the voltage feedback system by the constant voltage drive circuit CVD. That is, when the feedback system is the constant current drive circuit CID2, even if the temperature of the feedback coil FBC changes and its impedance changes, no change occurs and the measurement output IM does not change depending on the temperature.
[0012]
However, when the feedback system is the constant voltage drive circuit CVD, when the temperature of the feedback coil FBC rises, for example, the impedance increases due to the temperature dependence of the coil resistance. However, since the feedback is a constant voltage circuit, the magnetic field fed back to the MI element decreases. That is, the total magnetic field of the MI element is reduced, and the measurement output IM is proportional to the temperature of the feedback coil FBC.
[0013]
Therefore, the current can be measured by forming the current feedback system with the switch SW in the position shown in the figure, and the temperature can be measured by forming the voltage feedback system by switching the switch SW to the position opposite to that illustrated in the figure. It becomes.
In the above, the current is indirectly measured by measuring the magnetic field generated by the current, but it is of course possible to directly measure the magnetic field, and therefore the magnetic field sensor capable of measuring the temperature. Can be realized in the same manner.
[0014]
【The invention's effect】
According to this invention, since it becomes a current sensor or a temperature sensor by switching the switch, it is not necessary to prepare two types of sensors, and the cost required for the sensor can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a block diagram showing a conventional example.
RFD: high frequency drive circuit, MI: magnetoimpedance element (MI element), D1, D2: detection circuit, EAMP: error amplifier, CID1, CID2: constant current drive circuit, FBC: feedback coil, BC: bias coil, R1 to R7 ... resistors, C1 to C4 ... capacitors, D10, D11, D20, D21 ... diodes, CVD ... constant voltage drive circuits, .mu.COM ... microcomputers, SW ... sensor changeover switches.

Claims (2)

測定すべき磁界を受けその電気的インピーダンスが変化する磁気インピーダンス素子と、この素子にバイアス磁界を与えるコイルと、前記素子を高周波電流で駆動する駆動手段と、前記素子のインピーダンスを検出する検出手段と、その検出したインピーダンスを基準値に一致させるような電流をフィードバック用コイルに流す電流印加手段と、このフィードバック電流信号、またはこれを電圧信号に変換した電圧信号を磁界計測信号とする磁界センサにおいて、
前記フィードバック用コイルに対し前記検出したインピーダンスを基準値に一致させるような電圧を印加する電圧印加手段と、この電圧印加手段と前記電流印加手段のいずれか一方を選択する選択手段とを設け、この選択手段により前記電流印加手段を選択したときは、前記フィードバック用コイルに対し電流信号をフィードバックして磁界の計測を行ない、前記選択手段により前記電圧印加手段を選択したときは、前記フィードバック用コイルに対し電圧信号をフィードバックして温度の計測を行なうことを特徴とする磁界センサ。A magneto-impedance element that changes its electrical impedance upon receiving a magnetic field to be measured; a coil that applies a bias magnetic field to the element; a drive unit that drives the element with a high-frequency current; and a detection unit that detects the impedance of the element; In the magnetic field sensor using the current application means for flowing a current that matches the detected impedance to the reference value to the feedback coil and the feedback current signal, or a voltage signal obtained by converting the feedback current signal into a voltage signal,
A voltage applying unit that applies a voltage that matches the detected impedance to a reference value to the feedback coil; and a selecting unit that selects one of the voltage applying unit and the current applying unit. When the current application means is selected by the selection means, a current signal is fed back to the feedback coil to measure the magnetic field, and when the voltage application means is selected by the selection means, the feedback coil A magnetic field sensor that measures a temperature by feeding back a voltage signal. 測定すべき電流の発生磁界を受けその電気的インピーダンスが変化する磁気インピーダンス素子と、この素子にバイアス磁界を与えるコイルと、前記素子を高周波電流で駆動する駆動手段と、前記素子のインピーダンスを検出する検出手段と、その検出したインピーダンスを基準値に一致させるような電流をフィードバック用コイルに流す電流印加手段と、このフィードバック電流信号、またはこれを電圧信号に変換した電圧信号を電流計測信号とする電流センサにおいて、
前記フィードバック用コイルに対し前記検出したインピーダンスを基準値に一致させるような電圧を印加する電圧印加手段と、この電圧印加手段と前記電流印加手段のいずれか一方を選択する選択手段とを設け、この選択手段により前記電流印加手段を選択したときは、前記フィードバック用コイルに対し電流信号をフィードバックして電流の計測を行ない、前記選択手段により前記電圧印加手段を選択したときは、前記フィードバック用コイルに対し電圧信号をフィードバックして温度の計測を行なうことを特徴とする電流センサ。A magneto-impedance element that changes its electrical impedance in response to a generated magnetic field of a current to be measured, a coil that applies a bias magnetic field to the element, a driving means that drives the element with a high-frequency current, and an impedance of the element is detected Current detecting means, current applying means for passing a current that causes the detected impedance to match the reference value to the feedback coil, and current using this feedback current signal or a voltage signal converted from this as a voltage signal as a current measurement signal In the sensor
A voltage applying unit that applies a voltage that matches the detected impedance to a reference value to the feedback coil; and a selecting unit that selects one of the voltage applying unit and the current applying unit. When the current application means is selected by the selection means, a current signal is fed back to the feedback coil to measure current, and when the voltage application means is selected by the selection means, the feedback coil A current sensor for measuring temperature by feeding back a voltage signal.

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